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Programmieren für technische Aufgaben – Schleifen für wiederkehrende Aufgaben einsetzen

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Einleitung

Programmieren für technische Aufgaben – Schleifen für wiederkehrende Aufgaben einsetzen

Zielgruppe: Ausbildung in technischen und informationstechnischen Berufen

Dauer: ca. 75–90 Minuten

Kurzbeschreibung: Du lernst, wiederkehrende Aufgaben mit for-Schleifen und while-Schleifen zu automatisieren. Im Mittelpunkt stehen sichere Abbruchbedingungen, Durchlaufgrenzen und lokale Tests mit fiktiven Daten.

Ausbildungsfall: Eine simulierte Prüfstation bewertet Werkstückmaße. Das Programm soll höchstens fünf Messungen auswerten und nach zwei fehlerhaften Messungen stoppen.

Dein Lernziel: Du kannst Schleifen auswählen, programmieren, begrenzen, testen und ihre Ergebnisse erklären.

Einheit	Thema	Dauer
1	Schleifen verstehen	5 Minuten
2	for-Schleife	10 Minuten
3	while-Schleife	10 Minuten
4	Abbruch und Grenzen	10 Minuten
5	Simulierte Maßprüfung	20 Minuten
6	Übungen und Lernkontrolle	20–35 Minuten

Sicherheitsregel: Alle Programme laufen ausschließlich in einer lokalen, möglichst netzgetrennten Übungsumgebung mit fiktiven Daten. Verwende keine Verbindung zu Produktionsanlagen, fremden Netzwerken oder echten Messgeräten. Verwende weder Zugangsdaten noch Kundeninformationen.

Lerneinheit 1: Schleifen verstehen

Eine Schleife wiederholt Anweisungen. Jeder Durchlauf heißt Iteration.

Schleifentyp	Geeigneter Einsatz	Ende
for	Liste oder begrenzte Zahlenfolge durchlaufen	Datenende oder Abbruch
while	Wiederholen, solange eine Bedingung gilt	Bedingung wird falsch oder Abbruch

Merksatz: Jede Schleife benötigt einen nachvollziehbaren Weg zum Ende. Für technische Aufgaben ist zusätzlich eine maximale Durchlaufzahl sinnvoll.

Mini-Auftrag: Überlege, ob Du für zehn bereits vorhandene Messwerte eher eine for- oder eine while-Schleife verwendest.

Feedback: Eine for-Schleife ist hier besonders geeignet, weil die Datenmenge bereits bekannt ist.

Lerneinheit 2: for-Schleifen für bekannte Datenmengen

Mit for durchläufst Du nacheinander Werte einer Liste.

Video: for-Schleifen in Python

Lokales Beispiel: Speichere diesen Code als for_beispiel.py.

messwerte = [10.0, 10.3, 9.9]

for nummer, mass in enumerate(messwerte, start=1):
    print(f"{nummer}: {mass:.1f} mm")

Erwartete Ausgabe:

1: 10.0 mm
2: 10.3 mm
3: 9.9 mm

Wichtig: Die Funktion enumerate() ergänzt eine laufende Nummer. range(3) liefert 0, 1 und 2 – die obere Grenze 3 ist ausgeschlossen.

Mini-Test: Ergänze einen vierten Messwert.

Feedback: Eine vierte Ausgabe entsteht automatisch, weil die Schleife jedes vorhandene Listenelement verarbeitet.

Lerneinheit 3: while-Schleifen mit Abbruchbedingung

Eine while-Schleife prüft ihre Bedingung vor jedem Durchlauf. Ist sie von Anfang an falsch, erfolgt kein Durchlauf.

Video: Die while-Schleife

Lokales Beispiel: Speichere diesen Code als while_beispiel.py.

versuch = 0

while versuch < 3:
    versuch += 1
    print(f"Probelauf {versuch}")

print("Stopp: drei Durchlaeufe erreicht")

Erwartete Ausgabe:

Probelauf 1
Probelauf 2
Probelauf 3
Stopp: drei Durchlaeufe erreicht

Warum endet die Schleife? Der Zähler wird erhöht. Sobald er 3 erreicht, ist die Bedingung versuch < 3 falsch.

Mini-Test: Ändere die Grenze auf 2.

Feedback: Es erfolgen zwei Durchläufe, weil die Bedingung vor jedem erneuten Schleifendurchlauf geprüft wird.

Lerneinheit 4: Abbruchbedingungen und Grenzen

Element	Wirkung	Technische Bedeutung
`break`	Beendet die aktuelle Schleife sofort	Prüfung vorzeitig stoppen
`continue`	Überspringt den Rest des aktuellen Durchlaufs	Einen Verarbeitungsschritt auslassen
`range()`	Erzeugt eine begrenzte Zahlenfolge	Anzahl begrenzen
Zähler	Dokumentiert die Anzahl der Durchläufe	Überwachung der Grenze
`if`	Prüft eine Entscheidung	Fehlergrenze erkennen

Video: break und continue

Lokales Beispiel:

for schritt in range(1, 5):
    if schritt == 2:
        print("Schritt 2 ausgelassen")
        continue
    if schritt == 4:
        print("Stopp")
        break
    print(schritt)

Erwartete Ausgabe:

1
Schritt 2 ausgelassen
3
Stopp

Achtung: continue ersetzt keine Fehlerbehandlung. Fehlende oder ungültige Messwerte dürfen in einem echten Prüfprozess nicht ohne festgelegte Regel ignoriert werden.

Drei Sicherheitsfragen:

Bedingung: Was hält die Schleife am Laufen?
Abbruch: Wann muss sie vorzeitig enden?
Grenze: Was verhindert unbegrenzte Durchläufe?

Lerneinheit 5: Ausbildungsfall – simulierte Maßprüfung

Auftrag: Eine fiktive Prüfstation soll Werkstücke beurteilen. Es findet keine Ansteuerung realer Maschinen oder Messgeräte statt.

Vorgaben für die Übung:

Größe	Festlegung
Sollmaß	10,0 mm
Untergrenze	9,8 mm
Obergrenze	10,2 mm
Prüfmaximum	5 Messungen
Vorzeitiger Abbruch	2 fehlerhafte Messungen

Die Grenzen gelten einschließlich 9,8 und 10,2 mm. Das sind frei gewählte Übungswerte und keine verbindliche technische Prüfnorm.

Messdaten visualisieren

Fiktive Eingabedaten: 10,0 – 10,3 – 9,9 – 9,7 – 10,1 – 9,8 mm

Messung	Wert	Bewertung	Fehlerzähler
1	10,0	OK	0
2	10,3	Ausschuss	1
3	9,9	OK	1
4	9,7	Ausschuss	2 – STOPP
5	10,1	Nicht geprüft	–
6	9,8	Nicht geprüft	–

Verlauf des Fehlerzählers:

Messung 1   OK          0
Messung 2   Ausschuss   █
Messung 3   OK          █
Messung 4   Ausschuss   ██  STOPP
Messung 5   nicht verarbeitet
Messung 6   nicht verarbeitet

Die zweite fehlerhafte Messung tritt im vierten Schritt auf. Deshalb werden die restlichen Werte nicht verarbeitet.

Lokale interaktive Testumgebung

Voraussetzung: Python 3.10 oder neuer. Erstelle in einer lokalen, möglichst netzgetrennten Übungsumgebung einen leeren Ordner und darin die Datei pruefstation.py.

Die Übung arbeitet nur mit fest eingebauten Testdaten und Tastatureingaben. Sie enthält keine Netzwerkzugriffe, Dateiübertragungen oder Steuerbefehle.

def pruefen(werte, max_pruefungen=5, fehlerlimit=2):
    if max_pruefungen < 1 or fehlerlimit < 1:
        raise ValueError("Grenzen muessen positiv sein")

    protokoll = []
    fehler = 0

    for nummer, mass in enumerate(
        werte[:max_pruefungen], start=1
    ):
        status = (
            "OK" if 9.8 <= mass <= 10.2
            else "Ausschuss"
        )
        protokoll.append((nummer, mass, status))

        if status == "Ausschuss":
            fehler += 1

        if fehler >= fehlerlimit:
            return protokoll, "Fehlergrenze"

    grund = (
        "Prueflimit"
        if len(protokoll) == max_pruefungen
        else "Datenende"
    )
    return protokoll, grund


# Automatische lokale Selbsttests
assert pruefen([]) == ([], "Datenende")
assert [x[2] for x in pruefen([9.8, 10.2])[0]] == [
    "OK", "OK"
]
assert len(pruefen([10.4, 10.5, 10.0])[0]) == 2
assert len(pruefen([10.0] * 8)[0]) == 5
assert pruefen([10.0] * 8)[1] == "Prueflimit"

# Ausschliesslich fiktive Datensaetze
testfaelle = {
    "normal": [10.0, 10.3, 9.9, 9.7, 10.1, 9.8],
    "grenzen": [9.8, 10.2],
    "leer": [],
    "limit": [10.0] * 8,
}

print("Selbsttests bestanden.")

for _ in range(3):
    name = input(
        "normal/grenzen/leer/limit/ende: "
    ).strip().lower()

    if name == "ende":
        break

    if name not in testfaelle:
        print("Nur vorgegebene, fiktive Testfaelle.")
        continue

    protokoll, grund = pruefen(testfaelle[name])

    for nummer, mass, status in protokoll:
        print(f"{nummer}: {mass:.1f} mm -> {status}")

    print(
        f"STOPP: {grund}; geprueft: {len(protokoll)}"
    )

Lokal starten: Öffne das Terminal im Übungsordner.

python -I -B pruefstation.py

Je nach Installation lautet der Python-Aufruf python3 oder unter Windows py.

Die Option -I aktiviert den isolierten Python-Modus, -B verhindert das Schreiben von Bytecode-Dateien. Diese Optionen ersetzen keine Betriebssystem-Sandbox oder netzgetrennte virtuelle Maschine.

Interaktion: Gib nacheinander die Namen der Testfälle ein. Das Programm akzeptiert höchstens drei Eingaben und wertet nur fest vorgegebene fiktive Daten aus.

Testfälle und begründetes Feedback

Eingabe	Erwartetes Ergebnis	Begründung
`normal`	4 geprüfte Werte; Fehlergrenze	Der zweite Ausschuss tritt im vierten Schritt auf
`grenzen`	2 geprüfte Werte; Datenende	Beide Grenzwerte sind ausdrücklich zulässig
`leer`	0 geprüfte Werte; Datenende	Eine leere Liste besitzt keine Elemente
`limit`	5 geprüfte Werte; Prüflimit	Weitere Werte liegen jenseits der festgelegten Obergrenze

Wichtig: Eine bestandene Selbstprüfung zeigt nur, dass die definierten Testfälle erfolgreich waren. Sie beweist nicht, dass ein Programm für den realen Anlagenbetrieb geeignet ist.

Gestufte Hilfen

Hilfestufe	Hinweis
Hilfe 1 – Denke nach	Welche zwei Ereignisse können eine Prüfung beenden?
Hilfe 2 – Schau in den Code	`werte[:max_pruefungen]` begrenzt die Daten; `fehler >= fehlerlimit` löst den vorzeitigen Abbruch aus
Hilfe 3 – Kontrolliere	Im Normalfall werden vier Werte geprüft. Im Limitfall sind es fünf.

Typische Fehler und Rückmeldungen:

Fehler	Rückmeldung
Eine while-Schleife erhöht ihren Zähler nicht	Die Abbruchbedingung könnte dauerhaft wahr bleiben
Ein Vergleich nutzt `<` statt `<=`	Ein zulässiger Grenzwert könnte fälschlich ausgeschlossen werden
`continue` wird mit `break` verwechselt	Die Schleife läuft weiter, statt vollständig zu enden
Es werden sechs statt fünf Werte verarbeitet	Die vereinbarte maximale Prüfanzahl wurde verletzt
Nur normale Daten werden getestet	Leere Eingaben, Grenzfälle und frühe Abbrüche bleiben ungeprüft

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was ist eine Schleife in einem Programm? (Eine Kontrollstruktur zum Wiederholen von Anweisungen) (!Eine Speicherung von Passwoertern) (!Eine Verbindung zu einer Produktionsanlage) (!Eine ausschliesslich grafische Darstellung)

Welche Schleife eignet sich besonders fuer eine bekannte Liste von Messwerten? (for-Schleife) (!while-Schleife ohne Abbruchbedingung) (!Unbegrenzte Endlosschleife) (!Reine if-Anweisung)

Wann prueft Python die Bedingung einer while-Schleife? (Vor jedem Schleifendurchlauf) (!Nur beim ersten Durchlauf) (!Erst nach dem Programmende) (!Nur nach einem Fehler)

Welche Werte erzeugt range mit dem Argument 3? (0 und 1 und 2) (!1 und 2 und 3) (!0 und 1 und 2 und 3) (!Nur den Wert 3)

Was bewirkt break innerhalb einer Schleife? (Es beendet die innerste umschliessende Schleife sofort) (!Es wiederholt denselben Durchlauf) (!Es setzt den Zaehler automatisch auf null) (!Es loescht alle Variablen)

Was bewirkt continue in einer for-Schleife? (Es setzt die Verarbeitung beim naechsten Durchlauf fort) (!Es beendet immer das gesamte Programm) (!Es verhindert jeden weiteren Durchlauf) (!Es verdoppelt automatisch die Wiederholungen)

Welche Gefahr besteht bei einer while-Schleife ohne wirksamen Fortschritt zur Abbruchbedingung? (Eine Endlosschleife kann entstehen) (!Das Programm beendet sich immer sofort) (!Alle Listen werden automatisch geloescht) (!Die Schleife wird zur for-Schleife)

Wie wird im Ausbildungsfall ein Messwert von genau 10,2 mm bewertet? (Als zulaessig) (!Als Ausschuss) (!Als fehlender Wert) (!Als automatischer Programmfehler)

Nach welcher Messung stoppt der Normalfall der simulierten Pruefstation? (Nach der vierten Messung) (!Nach der ersten Messung) (!Nach der dritten Messung) (!Nach der sechsten Messung)

Was bewirkt das Prueflimit von fuenf Messungen? (Es begrenzt die Auswertung auf hoechstens fuenf Werte) (!Es garantiert immer fuenf fehlerhafte Werte) (!Es verhindert jeden vorzeitigen Abbruch) (!Es erhoeht die Toleranz automatisch)

Memory

Finde die passenden Begriffspaare.

Iteration	Einzelner Schleifendurchlauf
for-Schleife	Verarbeitung einer Wertefolge
while-Schleife	Wiederholung bei wahrer Bedingung
break	Sofortiger Schleifenabbruch
continue	Fortsetzung beim naechsten Durchlauf
Grenzwert	Festgelegte zulaessige Grenze
Zaehler	Variable zum Mitzaehlen
Protokoll	Dokumentation der Pruefergebnisse

Drag and Drop

Ordne jedem Begriff seine passende Funktion zu.

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Funktion im Programm
Initialisierung	Startzustand einer Variable festlegen
Iteration	Einen Schleifendurchlauf ausfuehren
Abbruchbedingung	Das Ende der Wiederholung bestimmen
Toleranzpruefung	Einen Messwert mit einem zulaessigen Bereich vergleichen
Testprotokoll	Ergebnisse eines Programmlaufs dokumentieren

Kreuzworträtsel

Schleife	Wie heißt eine Kontrollstruktur zur wiederholten Ausführung von Anweisungen?
Iteration	Wie heißt ein einzelner Durchlauf einer Schleife?
Grenzwert	Wie heißt ein festgelegter Wert, der eine zulässige Grenze markiert?
Bedingung	Was wird bei einer while-Schleife vor jedem Durchlauf geprüft?
Toleranz	Wie heißt der erlaubte Bereich einer Maßabweichung?
Protokoll	Wie heißt die dokumentierte Aufzeichnung eines Prüfvorgangs?

LearningApps

Optionale externe Übungssuche: Die folgenden externen Lernangebote sind nicht Bestandteil der lokalen Python-Testumgebung. Ihre Nutzung erfordert eine Freigabe durch die Lehrkraft und kann eine Verbindung zum Anbieter herstellen.

Lückentext

Eine Programmstruktur, die Anweisungen wiederholt, heißt

.

Ein einzelner Durchlauf wird als

bezeichnet.

Für eine bereits bekannte Wertefolge eignet sich eine

.

Eine while-Schleife prüft vor jedem Durchlauf eine

.

Die Anweisung zum sofortigen Schleifenabbruch heißt

.

Die Anweisung zum Überspringen des restlichen aktuellen Durchlaufs heißt

.

Eine festgelegte maximale Durchlaufzahl schützt vor einer unbegrenzten

.

Der zulässige Bereich einer Maßabweichung heißt

.

In der Übungsstation führt der zweite Ausschuss zur

.

Der Testfall ohne Messwerte prüft eine

Liste.

Ein Test der äußersten zulässigen Werte heißt

.

Die dokumentierte Ausgabe der Prüfstation ist ein

.

Offene Aufgaben

Bearbeitungsregel: Alle Aufgaben verwenden ausschließlich lokale und fiktive Daten. Arbeite niemals direkt an einer Produktionsanlage.

Leicht

Basisaufgaben

Schleifenbild zeichnen: Zeichne eine for-Schleife mit drei Durchläufen. Feedback: Der Ablauf muss genau dreimal zurückführen, bevor er endet.
Zählerschleife programmieren: Schreibe eine Schleife, die 0, 1 und 2 ausgibt. Feedback: range(3) ist geeignet, weil seine obere Grenze ausgeschlossen ist.
Durchläufe begrenzen: Ändere das while-Beispiel auf zwei Wiederholungen. Feedback: Genau zwei Ausgaben zeigen, dass die Zählergrenze korrekt gesetzt ist.
break und continue erklären: Erstelle zwei kleine Ablaufskizzen und markiere den Unterschied. Feedback: Bei break führt der Weg aus der Schleife heraus, bei continue zum nächsten Durchlauf.

Standard

Anwendungsaufgaben

Normalfall auswerten: Starte die simulierte Maßprüfung mit normal und erkläre ihren Abbruch. Feedback: Vier geprüfte Werte sind richtig, weil der zweite Ausschuss im vierten Schritt auftritt.
Grenzwerte testen: Prüfe grenzen und begründe die Bewertung. Feedback: Beide Werte sind zulässig, da die Vergleichsoperatoren die Grenzen einschließen.
Prüflimit testen: Starte limit und erkläre, warum nicht acht Werte verarbeitet werden. Feedback: Die Begrenzung des Listenausschnitts erlaubt höchstens fünf Prüfungen.
Fehlerverlauf gestalten: Zeichne für normal ein Diagramm des Fehlerzählers. Feedback: Die Folge 0, 1, 1, 2 ist richtig; nur fehlerhafte Messungen erhöhen den Zähler.

Schwer

Transferaufgaben

Abbruchgrenze ändern: Setze das Fehlerlimit auf eins und begründe die Änderung. Feedback: Im Normalfall endet die Prüfung nach Messung zwei, weil dort der erste Ausschuss auftritt.
Prüfmaximum verändern: Setze das maximale Prüflimit auf drei und untersuche den Normalfall. Feedback: Der Prüfgrund lautet Prüflimit, weil der zweite Ausschuss erst später auftreten würde.
Neuen Prüfprozess entwerfen: Entwickle eine rein simulierte Drehmomentprüfung mit eigenen fiktiven Grenzwerten und zwei unabhängigen Stoppregeln. Feedback: Ein sicherer Entwurf beschreibt sowohl die fachliche Abbruchbedingung als auch die maximale Prüfanzahl.
Erklärvideo produzieren: Erstelle eine einminütige lokale Bildschirmaufnahme Deines Übungsprogramms. Erkläre Schleife, Grenze und Abbruch. Feedback: Ein guter Lernnachweis zeigt Code, erwartetes Ergebnis und einen überprüften Grenzfall; verwende keine echten Betriebsdaten.

Lernkontrolle

Bearbeite die Aufgaben schriftlich oder mit lokal ausgeführtem Python-Code. Begründe Deine Entscheidungen.

Schleifen vergleichen: Zwei Programme durchlaufen dieselbe Liste, eines mit for und eines mit while. Erkläre, welche Variante Du für die Wartbarkeit bevorzugst und wie beide sicher enden.
Unvollständige Daten: Eine Liste enthält nur zwei statt fünf Messwerte. Leite das korrekte Programmverhalten ab und erläutere, weshalb kein weiterer Durchlauf erzwungen werden darf.
Fehlerhaften Ablauf korrigieren: Eine while-Schleife besitzt eine unveränderte Laufvariable. Erkläre den möglichen Fehler und formuliere zwei Schutzmaßnahmen.
Abbruchregeln kombinieren: Ein Prüfprozess hat sowohl eine Fehlergrenze als auch ein Prüfmaximum. Entwerfe eine nachvollziehbare Entscheidungslogik und belege sie durch geeignete Testfälle.
Neuer technischer Anwendungsfall: Übertrage das Verfahren auf die simulierte Kontrolle von Bauteilgewichten. Definiere Toleranzen, maximale Durchläufe, Abbruchregeln und mindestens vier sinnvolle Tests.

Bewertungskriterien: Eine gute Lösung besitzt fachlich passende Schleifen, klare Grenzen, nachvollziehbare Ergebnisse, Grenzfalltests und eine begründete Übertragung auf den neuen Anwendungsfall.

Lernnachweis

Dein Lernnachweis umfasst:

Schleifenverständnis: Du erklärst Iteration, for und while anhand eigener Beispiele.
Sichere Beendigung: Du zeigst mindestens zwei unterschiedliche Abbruchmöglichkeiten und eine maximale Durchlaufzahl.
Lauffähiger Quellcode: Du gibst ein lokales Python-Programm mit fiktiven Daten ab.
Testdurchführung: Du dokumentierst Normalfall, Grenzfall, leere Eingabe und Prüfmaximum.
Begründetes Feedback: Du erklärst, warum die Ergebnisse korrekt sind und welche Fehler auftreten könnten.
Sicherer Umgang mit Daten: Du bestätigst die ausschließliche Verwendung fiktiver Daten ohne externe Datenübertragung oder reale Anlagenansteuerung.
Anwendung: Du beschreibst, wie Du Schleifen sicher auf eine andere simulierte technische Aufgabe übertragen kannst.

Ein geeigneter Nachweis besteht aus dem Quellcode, einer kurzen Ablaufskizze, einem Testprotokoll und einer reflektierten Fehleranalyse.

OERs zum Thema

Fachliche Grundlagen:

Offizielle Python-Dokumentation – Ablaufsteuerung: for, range, break und continue.
Python-Standardbibliothek – Integrierte Funktionen: unter anderem enumerate.
Wikipedia – Schleife: Kontrollstrukturen und Schleifenarten.

Wikipedia-Artikel:

Mediennachweise und Nutzungsrechte

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Vernier caliper 2016.jpg: Santeri Viinamäki, CC BY-SA 4.0.
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While-loop-diagram.svg: P. Kemp, CC0 1.0.
Flowgorithm For Loop.svg: Dave Braunschweig, CC BY-SA 4.0.
Flowgorithm While Loop.svg: Dave Braunschweig, CC BY-SA 4.0.
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YouTube-Medien: Die eingebundenen Lehrvideos werden nicht als frei lizenzierte Materialien ausgegeben. Ihre Rechte verbleiben bei den jeweiligen Rechteinhabern. Das Abspielen kann externe Verbindungen herstellen; für die Durchführung der lokalen Programmieraufgaben sind die Videos nicht erforderlich.

Die Daten, Ablaufskizzen, Testfälle und Python-Beispiele des Ausbildungsfalls sind eigens für diese Lernübung formuliert. Es werden keine Messwerte aus echten Produktionsprozessen verwendet.